桂北地區(qū)羅地1井鉆探施工實踐

秦 毅

(核工業(yè)二七〇研究所，江西 南昌 300200)

0 引言

頁巖氣是一種非常規(guī)的天然氣資源，作為一種新的替代資源，已經(jīng)在全球引發(fā)了一場“頁巖氣革命”，并且將給人類帶來一場“新能源革命”[1]。頁巖氣是以吸附、游離狀態(tài)存在泥頁巖中可開發(fā)的新銳資源。我國自2004年起即開展了頁巖氣資源的研究調(diào)查工作，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心于2015年下達開展貴州羅甸地區(qū)1∶5萬頁巖氣基礎地質(zhì)調(diào)查工作，羅地1井就是該項目設計的一口頁巖氣調(diào)查井。該井完井質(zhì)量較好，其施工工藝對今后頁巖氣調(diào)查井的施工有一定借鑒意義。

1 工程簡介

羅地1井位于廣西省壯族自治區(qū)河池市南丹縣六寨鎮(zhèn)境內(nèi)，區(qū)內(nèi)地勢北高南低，山巒起伏、溝谷縱橫、地面破碎、山地特色明顯。設計井深1500 m，于2016年1月17日開工，6月23日鉆達設計井深，共計159 d，實際完鉆井深1501.06 m，取心段巖心獲取率98.7%，鉆孔質(zhì)量完全符合地質(zhì)設計要求，達到地質(zhì)目的。

1.1 地層概述

羅地1井為一套沉積巖地層，鉆遇主要地層為石炭系南丹組、巴定組，泥盆系五指山組和羅富組。主要巖性為細晶灰?guī)r、石英粉砂巖、含炭泥質(zhì)灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、含炭泥質(zhì)泥晶灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、含炭泥質(zhì)頁巖等。構造位置為六寨塘加背斜東部，目的層為中泥盆統(tǒng)羅富組和下泥盆統(tǒng)納標組上部。井深0～550 m以灰?guī)r為主，夾薄層泥頁巖互層，上部風化嚴重，巖層較軟，溶洞發(fā)育較多，可鉆性4～5級。井深550～1501 m完鉆以條帶狀灰?guī)r，微晶灰?guī)r含炭質(zhì)泥頁巖和硅質(zhì)灰?guī)r為主，地層較穩(wěn)定，巖心較完整，可鉆性6級左右，研磨性不強，井壁巖層微裂隙發(fā)育，鉆井液有滲漏現(xiàn)象。

1.2 鉆探設備和機具選擇

主要的鉆探設備及機具見表1、表2。

1.3 井身結構

羅地1井采用四開的井身結構，如圖1所示。

一開使用?130 mm硬質(zhì)合金鉆頭采用單管鉆進鉆穿地表風化破碎帶后，下入?127 mm套管固井，該段為0～14.57 m。

二開使用?110 mm金剛石鉆頭采用單管鉆進至石炭系上統(tǒng)南丹組，巖性以細晶灰?guī)r和硅質(zhì)灰?guī)r為主，鉆遇較穩(wěn)定堅硬巖石后下入了?108 mm的套管隔離，該段為14.57～139.22 m。

表1 主要施工設備

表2 主要管材鉆具

圖1 羅地1井井身結構

三開用S95金剛石繩索取心鉆具鉆進至石炭系下統(tǒng)巴定組，巖性以碎屑灰?guī)r為主，該層段溶洞發(fā)育多，巖心較破碎，鉆穿溶洞層位，鉆遇較穩(wěn)定堅硬地層下?89 mm套管隔離，該段為139.22～550.05 m。

四開用S77金剛石繩索取心鉆具鉆進至終孔，該段為550.05～1501.06 m。

2 鉆井質(zhì)量要求

羅地1井設計井深1500 m，實際完鉆井深1501.06 m。

井斜質(zhì)量要求：每100 m最大井斜≤2°，完井閉合井斜≤8°。

巖心采取率要求：全井段取心，平均采取率≥85%，目的層采取率≥95%。完鉆口徑≥75 mm。

3 施工難點和應對措施

3.1 地層不穩(wěn)定、溶洞多

頁巖氣調(diào)查井一般設計在沉積巖地層中，該地層主要包括第四系、第三系、石炭系中無膠結或膠結差的軟、碎、散、塌、漏、涌等復雜地層[2]。其中第四系地層主要有松散砂礫石、卵石、砂質(zhì)粘土等；第三系地層主要有松散無膠結或弱膠結的礫巖、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等；石炭系地層主要有泥巖、煤層、泥質(zhì)弱膠結或無膠結的松散砂巖、砂礫巖。羅地1井自上而下鉆遇第四系、第三系、石炭系、泥盆系，巖性以灰?guī)r和泥頁巖為主，地層破碎(見圖2)，取心難度大，鉆井上部遭遇多個溶洞，地層情況比較復雜。泥頁巖層水敏性較強，井壁易失穩(wěn)，超徑縮徑情況頻發(fā)；溶洞地層巖心破碎缺失，導致泥漿漏失嚴重，循環(huán)系統(tǒng)失效，易出現(xiàn)掉塊卡鉆、燒鉆等孔內(nèi)事故。針對此類復雜情況，一般考慮從鉆井液和套管隔離兩個方面來解決。

圖2 羅地1井鉆遇較破碎地層

(1)泥頁巖屬于泥巖和頁巖之間的過渡巖石地層，可見發(fā)育不完善的頁理，該種地層富含泥沙充填，較為松散，膠結性較弱，鉆井過程中，容易出現(xiàn)垮塌、掉塊、井壁失穩(wěn)等情況(圖2)，因此，泥頁巖中易發(fā)生超徑、縮徑等現(xiàn)象，給施工造成一定的困難。泥頁巖地層鉆進，如何選配合理的鉆井液是鉆井成功的關鍵?？茖W合理的配置鉆井液能夠有效地保證孔壁的完整和穩(wěn)定，從而降低孔內(nèi)事故發(fā)生的概率，保證鉆進效率，保障鉆孔質(zhì)量，達到縮短建井周期的目的。

泥頁巖復雜地層鉆進中使用的鉆井液應具備以下條件：①盡可能降低鉆井液中的固相含量；②鉆井液應具備較強的膠連松散顆粒的能力；③能使鉆井液在巖心及孔壁表面形成膠質(zhì)薄膜[3]。

應對措施：采用0.35%纖維素+1.0%腐植酸鉀+0.3%聚乙烯醇+0.25%聚丙烯酰胺的鉆井液配方。鉆井液性能：密度1.01～1.04 g/cm3，粘度17～19 s，pH值8～9[4]。該鉆井液具有粘度高、膠結抗水化能力強、失水量小等特點，對水敏性地層有良好的抑制水化膨脹作用。在鉆進施工中，由于鉆井液合理的配備使用，井壁失穩(wěn)導致的超徑、縮徑、掉塊、坍塌等現(xiàn)象都有明顯的控制和改善。

(2)羅地1井共遭遇大小溶洞21個，其中深度1 m以上的溶洞7個，最大高度達4.22 m(根據(jù)巖心情況，推斷300.08～305.84 m是一個溶洞)，給鉆井施工造成了很大的困難。小溶洞會導致鉆井液的漏失，甚至不返水，孔內(nèi)掉塊，卡鉆等。大溶洞會導致設備負荷突然加大，鉆井液循環(huán)系統(tǒng)失效，鉆進阻力變大，孔底溫度急劇升高，甚至發(fā)生燒鉆。鉆桿柱由于與孔壁間隙過大，在離心力的作用下易發(fā)生斷鉆桿等事故。溶洞對于鉆探生產(chǎn)而言是一個難以克服的問題，鉆井液僅僅能夠控制孔壁的穩(wěn)定性，對于溶洞地層并無明顯的效果。

應對措施：羅地1井鉆遇的溶洞集中在鉆井上部，井深15～452 m為溶洞較多的地層，且深度1 m以下的小溶洞居多。在生產(chǎn)施工中，根據(jù)鉆遇溶洞的大小，處理方式上也有所不同。①鉆遇小溶洞時(以251.27 m的溶洞為例)，將海帶、麻繩、鋸末等惰性材料混合粘合力較強的膨潤土、堵漏劑等泥漿材料灌入孔內(nèi)，對小溶洞進行填充，對溶洞內(nèi)的裂隙進行封堵，必要時灌入水泥漿，對掉塊進行固定，使鉆井反水正常，保障鉆進安全；②鉆遇大溶洞時(以300.08 m的多個連續(xù)大溶洞為例)，采用S95鉆桿進行頂漏鉆進，鉆穿溶洞后，首先嘗試下入?89 mm套管，因溶洞內(nèi)堆積物過多，導致套管無法下抵孔底，只能采用S95鉆桿配合特制薄壁鉆頭(鉆頭內(nèi)徑與鉆桿內(nèi)徑相同)掃孔至孔底，然后灌入水泥漿對S95鉆桿柱進行固定，用S95鉆桿充當技術套管，隔離了井壁，防止了溶洞層的坍塌掉塊。鉆井反水正常，鉆進生產(chǎn)得以持續(xù)。

3.2 井斜的控制

頁巖氣調(diào)查井對于井斜質(zhì)量的要求比較高。在沉積巖軟硬交替的地層中，如何控制和把握鉆井的井斜是鉆井能夠成井的關鍵,鉆井的跑斜主要跟地層、鉆速、鉆壓等相關。羅地1井鉆遇的地層軟硬交替，尤其是井深472～665.9 m的巴定組，此時鉆進正處于設計井深的1/3深度，井斜的控制尤為重要。該段巖性是炭質(zhì)泥巖和硅質(zhì)灰?guī)r交替互層，巖石硬度差異較大，是最容易出現(xiàn)跑偏、跑斜的地層。

應對措施：(1)在羅地1井鉆塔安裝前，對地基進行水平校正，確保鉆塔基座水平、周正。鉆機設備安裝中，立軸中心與天車、井口中心處于一條直線上。(2)開孔時，采用鋒利鉆頭輕壓、慢轉(zhuǎn)，平穩(wěn)的進行開孔作業(yè)，施工生產(chǎn)中，仔細觀察鉆進進尺情況，調(diào)整鉆壓、鉆速，有針對性地調(diào)節(jié)鉆進參數(shù)(表3)，降低鉆井的含砂量，鉆遇完整地層時，適度提升轉(zhuǎn)速和鉆壓，提高生產(chǎn)效率；鉆遇破碎或軟硬互層時，適當?shù)販p輕鉆壓，降低轉(zhuǎn)速，維持進尺的平穩(wěn)，避免在鉆遇過渡地層時出現(xiàn)跑斜情況。更換鉆具、鉆級時，把孔內(nèi)巖心打撈干凈，采用帶導正的異徑鉆具。(3)嚴格百米測斜，嚴把質(zhì)量關，出現(xiàn)跑斜較大情況，及時總結，針對性采取措施，保障鉆井的質(zhì)量達標。

表3 羅地1井鉆進工藝及參數(shù)

注：表中的參數(shù)數(shù)據(jù)為估算平均值，不代表實時數(shù)據(jù)，鉆進中參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動。

4 施工效果

4.1 鉆進效率

羅地1井鉆進月平均臺月效率527 m，全井巖心采取率98.7%，目的層段(羅富組、納標組上部)巖心采取率100%。羅地1井鉆遇地層為海陸交互相沉積巖地層，主要巖心以灰?guī)r、泥巖、頁巖為主，巖層松軟，可鉆性不強，溶洞發(fā)育較多，全井段共遭遇溶洞21個。在實際施工中，巖石對鉆頭的磨損程度較輕，鉆頭消耗數(shù)量較少，溶洞地層由于孔內(nèi)情況復雜，孔內(nèi)坍塌、掉塊頻繁，多次出現(xiàn)卡鉆情況，延誤了鉆孔周期(表4)。

表4 羅地1井作業(yè)情況統(tǒng)計

通過表4對比可知，在井段139.22～550.05 m的作業(yè)過程中，純鉆時間利用率僅為34%。此井段恰恰是溶洞最為發(fā)育的層位，鉆井液的漏失，孔內(nèi)頻繁的掉塊，甚至孔內(nèi)坍塌，對鉆進效率產(chǎn)生了很大影響。

4.2 鉆井彎曲度

羅地1井嚴格把控井斜質(zhì)量，井隊配備JTL-40GX(W)無纜光纖陀螺測斜儀，施工至14.57 m下入表層套管后即進行測斜作業(yè)，測量井斜頂角僅為0.2°。全井最大井斜1482.3 m處8.00°，井底(1500 m)東西位移偏西86.69 m，井底南北位移偏南28.32 m(見圖3)，鉆井彎曲度符合設計要求。

圖3羅地1井水平投影圖

5 結論

(1)頁巖氣調(diào)查井相對于其它地質(zhì)勘探類鉆孔在鉆遇復雜破碎地層，鉆遇構造帶，以及所適應的地層硬度大小和巖石可鉆性等方面有明顯的區(qū)別。

在井身結構設計上需要有所針對性，如有無復雜地層，漏失地層的厚度、深度，是否鉆遇斷層等。井身結構設計是否與地層情況相對應對鉆井的成井與否息息相關，這就需要克服以往地勘類鉆探“摸著石頭過河”的習慣。了解地層情況之后再決定鉆井結構、開次、各開次井深、表層套管和技術套管的直徑、下深等，為后續(xù)鉆進預留足夠的井徑空間。

(2)羅地1井在溶洞層段采用S95鉆桿作為技術套管對孔壁進行隔離，具有高效、安全、省時的特點，在溶洞、掉塊較多或易超徑縮徑的復雜地層中都是值得借鑒推廣的。

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